[Перевод] Что нужно для квантовой гравитации – так это больше экспериментов

Математика не решит проблемы квантовой гравитации, это смогут сделать только эксперименты

В середине 1990-х я изучала математику. Я не была полностью уверена в том, чем я хочу заниматься в жизни, но меня поражала способность математики описывать естественный мир. После уроков по дифференциальной геометрии и алгебрам Ли я посетила серию семинаров от математического департамента, на которых обсуждалась величайшая проблема фундаментальной физики: квантификация гравитации и объединение всех сил природы под одним теоретическим зонтиком. Семинары велись вокруг нового подхода, разработанного Абэй Аштекаром из университета штата Пенсильвания. С этим исследованием я ранее не сталкивалась, и ушла оттуда с полным впечатлением того, что проблема решена, и об этом просто ещё никто не знает.

Всё это казалось чистой победой незамутнённого разума. Требования математической связности привели, к примеру, к открытию бозона Хиггса. Без него Стандартная модель для частиц, сталкивающихся с энергиями выше 1 ТэВ, перестала бы работать – а такие энергии доступны на Большом адронном коллайдере. Вероятности не давали бы в сумме 100% и лишились бы математического смысла. Следовательно, при переходе этой энергетической границы должно было появиться что-то новое. Хиггс был простейшей из возможностей, которую могли придумать физики, и они его, естественно, нашли.


В этой туманности живёт быстро вращающаяся нейтронная звезда PSR B1509-58. Нейтронные звёзды выдают регулярные импульсы в радиодиапазоне, а их можно использовать для поисков квантовых эффектов гравитации.

В 20-х и 30-х математическое несоответствие между специальной теорией относительности Эйнштейна и изначальной версией квантовой механики привело к появлению квантовой теории поля, на которой затем была основана Стандартная модель. Математическое несоответствие между специальной теорией относительности и ньютоновской гравитацией привело к появлению общей теории относительности – нашей самой современной теории гравитации. Теперь же у физиков осталось несоответствие между Стандартной моделью и ОТО. Мы, конечно, ожидаем, что разрешение этой проблемы в виде квантовой теории гравитации станет таким же срывом покровов, как и предыдущие случаи.

Но с течением времени я узнавала и о других исследователях, использовавших другие методы, и убеждённых, что и они также близко подошли к разрешению проблемы. Теория струн, петлевая квантовая гравитация, причинная динамическая триангуляция, асимптотически безопасная гравитация, каузальные наборы… Практиковавшие эти подходы учёные тоже были уверены в том, что смогут расшифровать природу при помощи одной лишь математики. Различались они не потому, что кто-то из них сделал в математических выводах ошибки, но потому, что они начали с разных предпосылок. Математика нужна для проведения серии логических выводов, но ни одно математическое заключение не будет лучше, чем его предпосылки. Для выбора между физическими теориями недостаточно логики. Единственный способ выяснить, какая теория описывает природу, это провести экспериментальную проверку.

Но работавшие над разными подходами физики редко общались друг с другом, а если и общались, то никогда не соглашались. И с чего бы? В отсутствие экспериментальных доказательств у них не было причин для согласия. Накапливалась математика, создавались десятки тысяч статей, проводились сотни конференций. И ни один подход не выдал недвусмысленного решения. И по мере того, как безуспешно проходили десятилетия, над поиском квантовой гравитации всё сильнее нависали сомнения.

Странно, но в 90-х почти никто не пытался найти наблюдаемые доказательства квантовой гравитации; считалось, что это невозможно. Эффекты квантовой гравитации чрезвычайно слабы. Физики прикинули вероятность обнаружения предполагаемых частиц гравитации – гравитонов – и обнаружили, что шансы на это малы даже при использовании детекторов размером с Юпитер, обращающийся вокруг нейтронной звезды. [Rothman, T. & Boughn, S., Can gravitons be detected? Foundations of Physics 36, 1801-1825 (2006)]

Но на самом ли деле необходимо обнаружить гравитоны напрямую, чтобы найти доказательства квантовой гравитации? Этот вопрос не отпускал меня. К концу 90-х я переключилась на изучение физики. Большинство физиков, работающих с квантовой гравитацией, всё ещё верят, что их математика откроет им путь к успеху. Я в это не верю. Но у меня нет и пессимизма по поводу экспериментальной недоступности квантовой гравитации. Наоборот, я осторожно надеюсь, что ещё при моей жизни мы успешно продемонстрируем квантификацию гравитации в эксперименте.

Те из нас, кто ищет экспериментальные подтверждения квантовой гравитации, сталкиваются с уникальной исследовательской проблемой: у нас нет ни теории, ни данных! Но даже при отсутствии общепринятой теории квантовой гравитации, мы можем исследовать основные свойства, ожидаемые от неё, и найденные в различных теориях-кандидатах.

К примеру, некоторые теории указывают на дискретность пространства-времени. В таком случае у него могут быть дефекты, как у кристаллов, способные сбивать с пути свет и размывать изображения удалённых квазаров. Некоторые теории считают, что пространство-время – это некая основа или жидкость, в случае чего даже у вакуума можно было бы найти свойства материалов, такие, как вязкость или рассеивание. Некоторые теории предсказывают нарушение симметрий, уважаемых в ОТО; иные считают, что квантовые флуктуации пространства-времени могут растревожить чувствительные квантовые системы. Всё это можно искать.

Вы уже знаете, что ничего мы не нашли – иначе вы бы услышали об этом. Но даже отсутствие результатов помогает разрабатывать теории. Такие случаи учат нас, что некоторые идеи – к примеру, что пространство-время может быть периодической решёткой – просто несовместимы с наблюдениями.

Конечно, было бы гораздо лучше получить настоящее подтверждение. В последние годы мы смогли найти несколько новых возможностей приблизиться к цели. Возьмём изначальные гравитационные волны. Эти небольшие флуктуации пространства-времени в ранней вселенной должны были оставить отчётливый отпечаток на реликтовом излучении. В 2014 году совместная группа BICEP2 объявила о проведении измерений этого отпечатка, и хотя они ошиблись, это не значит, что волн не существует. Просто для их обнаружения потребуется больше усилий. А если мы их обнаружим, их квантовые свойства помогут нам разрабатывать нашу модель. Лоуренс Краус из Аризонского университета и Фрэнк Уилчек из МТИ утверждают, что обнаружение изначальных гравитационных волн покажет, что гравитация должна квантоваться [Krauss, L. & Wilczek, F., Using cosmology to establish the quantization of gravity. Physical Review D 89, 047501 (2014)]. Их аргумент чрезмерно упрощён, но Винсент Веннин [Martin, J. & Vennin, V. Quantum discord of cosmic inflation: Can we show that cmb anisotropies are of quantum-mechanical origin? Physical Review D 93, 023505 (2016)] и Юджин Бианчи [Bianchi, E., Hackl, L., & Yokomizo, N. Entanglement time in the primordial universe. International Journal of Modern Physics D 24, 1544006 (2015)] независимо занялись анализом данных по реликтовому излучению, способных отличить квантовые флуктуации от неквантовых.

Телескоп BICEP2 на Южном полюсе

Ещё есть чёрные дыры. Физика чёрных дыр – одна из главных тем исследования квантовой гравитации. Довольно долго считалось, что квантово-гравитационные эффекты будут ощутимыми только ближе к центру чёрных дыр, скрыты за горизонтом, обозначающим её границу, и потому неизмеримы снаружи. Но в последние годы эта вера пошатнулась. К примеру, согласно одному теоретическому предположению, чёрные дыры окружены файерволами — материальными поверхностями, уничтожающими падающую в них материю. Хотя я и некоторые другие учёные подвергали этот аргумент сомнению [Hossenfelder, S. Disentangling the black hole vacuum. Physical Review D 91, 044015 (2015)], он не оказывается единственной причиной предполагать, что на горизонте могут проявляться эффекты квантовой гравитации.

А если они проявляются, тогда изучение чёрных дыр может открыть нам информацию по квантовой гравитации. Майкл Кавиц [Michael Kavic] из Лонг-айлендского университета предложил поискать двойные системы, состоящие из нейтронной звезды, обращающейся вокруг чёрной дыры. Нейтронная звезда излучает радиоволны, и если этот луч заденет горизонт чёрной дыры, то наблюдаемый импульс будет изменён структурой этой дыры [Estes, J., Kavic, M., Lippert, M., & Simonetti, J.H., Shining light on quantum gravity with pulsar-black hole binaries. arXiv:1607.00018 (2016)]. Ещё один подход от Ниайеша Афшорди [Niayesh Afshordi] из Perimeter Institute изучает гравитационные волны, создающиеся при слиянии чёрных дыр. Квантовые эффекты могут проявиться в те моменты, когда новообразованная чёрная дыра принимает свою окончательную форму [Abedi, J., Dykaar, H., & Afshordi, N. Echoes from the Abyss: Evidence for Planck-scale structure at black hole horizons. arXiv:1612.00266 (2016)].

Но самая многообещающая идея пришла с неожиданной стороны. Если гравитационное поле можно квантовать, оно должно обладать определёнными квантовыми характеристиками, такими, как суперпозиция, при которой система одновременно находится в разных состояниях.

Возьмём основной пример квантового поведения: эксперимент с двумя щелями. Если направить луч электронов на экран, в котором прорезаны две щели, электроны образуют определённый волновой рисунок. Для его появления каждый электрон должен пройти через обе щели одновременно – это суперпозиция путей. Но у электрона есть масса, и она влияет на гравитационное поле. Если электрон находится в квантовой суперпозиции, то и его поле также должно быть в квантовой суперпозиции. Это очень странная идея. Если то же самое случится со всей Землёй, то упавшее с дерева яблоко испытает два разных гравитационных поля и упадёт в двух разных направлениях одновременно. Такие признаки несовместимы с квантовой механикой и ОТО; суперпозиция полей должна быть присуща квантовой гравитации.

Пока что таких эффектов никто не наблюдал, поскольку гравитационное поле одного электрона слишком слабое для того, чтобы его можно было измерить. В последние годы несколько экспериментальных групп создавали суперпозиции для гораздо более массивных объектов. Сегодняшний передовой край науки – работа с массой в нанограмм. Маркус Аспельмейер со своей венской группой занялся амбициозным проектом измерения гравитационного притяжения масс в 1 миллиграмм [Schmöle, J., Dragosits, M., Hepach, H., & Aspelmeyer, M. A micromechanical proof-of-principle experiment for measuring the gravitational force of milligram masses. Classical and Quantum Gravity 33, 125031 (2016)]. Недалёк тот день, когда мы сможем измерить гравитационное поле квантовых объектов.

Похожий подход пытаются использовать Мауро Патерностро с коллегами из университета Квинс в Белфасте, чтобы точно определить, какие признаки должны отличать квантующееся гравитационное поле от неквантующегося [Krisnanda, T., Zuppardo, M., Paternostro, M., Tomasz Paterek, T. Revealing non-classicality of unmeasured objects. arXiv:1607.01140 (2016)]. Их подход завязан на типичнейшем квантовом свойстве, запутанности, при котором наблюдается корреляция свойств разных объектов. Представьте два объекта, взаимодействующих через гравитацию. Корреляции между ними будут зависеть от того, квантуется это поле или нет. По идее, можно измерить корреляции и определить квантуемость поля.

Если бы у нас были очки для наблюдения за гравитационными волнами, то слияние чёрных дыр выглядело бы ярче, чем взрыв сверхновой

То, что науке требуется экспериментальное подтверждение идей, нельзя назвать новостью, но мечта древних философов о том, что одни лишь рассуждения могут распутать тайны природы, к сожалению, живёт среди теоретиков, работающих над квантовой гравитацией. В итоге умственные упражнения, будь они сколь угодно сложными, сводятся к эстетическим или философским предпочтениям при выборе предпосылок. Огромное количество литературы по квантовой гравитации занимается погребением этих предпосылок под математическими горами.

Через двадцать лет после того, как я впервые услышала о квантовой гравитации, эта область всё ещё находится во власти учёных, полагающихся на математическую последовательность. Но увеличивается и число тех, кто, подобно мне, изучает возможности экспериментальных проверок квантовой гравитации. И чем виднее становится провал математического метода, тем нам яснее, что единственный путь вперёд – это поиск экспериментальных подтверждений, вне зависимости от его сложности. Первый шаг – демонстрация квантования гравитации. А затем уже можно приступать ко всему спектру гравитационных явлений. Именно так мы перенесём квантовую гравитацию из математики в физику.

А что стало физикой, может стать инженерным делом. В отличие от многих моих коллег, я считаю, что понимание квантования гравитации может помочь нам практически. Такая теория не только улучшит наше понимание пространства и времени, но и квантовых систем в общем. Это будет долгий путь. Но на то, чтобы пройти от четырёх элементов Аристотеля до четырёх сил физики, нам понадобилось 2000 лет. Так что путешествие будет длительным.